學生時代
威爾遜出生於紐西蘭，學生時代先在奧克蘭的國王學院學習，擅長數學和化學，畢業後在奧塔哥大學（Otago University）獲得理學學士學位，並繼續攻讀碩士學位。1955年，威爾遜應邀前往加州大學伯克利分校攻讀哲學博士學位（PhD），並於1961年在著名分子生物學家亞瑟·帕迪（Arthur Pardee，基因阻遏調控的發現者之一）的指導下獲得博士學位。在其後的時間裡，威爾遜主要在伯克利分校的生物化學系工作。
威爾遜最早為世界所關注是在1967年12月的《科學》雜誌上發表題為《關於人類進化的免疫球蛋白時間標尺》（'Immunological Time-Scale For Human Evolution'）的論文。在這篇文章里，威爾遜和博士生文斯·薩利奇（Vince Sarich）通過對人和黑猩猩遺傳物質的比較分析，提出可以使用“分子鐘”，即通過生物體可遺傳的突變積累，來推算人類起源。他們的結果顯示人科的起源只有5百萬年，這與傳統上使用化石的辦法估算的2千五百萬年相距甚遠。但卻與今天人們所普遍接受的5~7百萬年的起源時間相差無幾。
研究生涯
20世紀60年代末，隨著分子生物學的發展，進化生物學也開始採納這種新穎的研究手段，一些的假說、學說、理論紛紛提出。通過一系列研究，威爾遜提出進化不僅體現在質量（性狀）上，而在數量（性狀）上也有所體現。即進化不僅可通過在基因編碼區的突變產生新的產物得以實現，同時在調控區則可以通過突變改變基因產物的表達數量來實現。隨著基因組數據的積累，這個觀點得到許多實驗、分析結果的支持，並成為當前研究的熱點問題之一。
阿蘭·查爾斯·威爾遜進入80年代，威爾遜和其學生里貝卡·卡恩（Rebecca Cann）、馬克·斯托金（Mark Stoneking）,通過對全球現代人樣品中線粒體DNA（mtDNA）的研究，發現構建的全球現代人的進化書的根部聚於非洲人群，說明至少在母系的角度上看最早的現代人來自於非洲，從而提出了“線粒體夏娃”（'Mitochondrial Eve’）假說，支持現代人的非洲起源說，並估算出走出非洲的時間約在20萬年前。儘管存在一些數據處理的問題，但這份發表於1987年《自然》雜誌的工作對遺傳學、考古學、人類學等諸多領域所產生了的極其深遠影響。線粒體DNA也成為經典的分子標記而廣泛套用於現代人、家養動物的起源、遷徙等許多研究當中，取得了一系列的新發現。同時，該項工作也催生出許多交叉學科，例如通過對已經死去或已滅絕的動物及人類的線粒體DNA進行提取分析，使得對進化中過去的信息得以重新為人們所認識，即現在所稱的分子考古學，而威爾遜本人也是這類工作最早的研究者之一。
桃李滿園
威爾遜一共指導了200多名研究生和博士後的學習工作，其中一些已成為當今著名的生物學家。他本人也是獲得過麥克阿瑟基金會天才獎（MacArthur “Genius” Award）的唯一的紐西蘭人。
生命終結
1991年7月，威爾遜因急性白血病去世，當時他已獲得進入諾貝爾最終提名（short listed for the Nobel Prize）。
